工業(yè)以太網(wǎng)與智能建筑[3]
5 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用可行性
工業(yè)以太網(wǎng)用于工業(yè)控制，對于上述問題，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和相應(yīng)措施的實施，其實時性及可確定性取得很大改善：
(1) 不斷提高以太網(wǎng)速率：近來年以太網(wǎng)的速率由10Mbps、100Mbps增加到1 000Mbps并已廣泛應(yīng)用。目前10Gbps的以太網(wǎng)已經(jīng)商業(yè)化，數(shù)據(jù)傳輸時間大大縮短，響應(yīng)時間得到提高，系統(tǒng)的實時性及不可確定性得到了改善。
(2) 采用交換機以太網(wǎng)技術(shù)：由于共享式以太網(wǎng)工作站點爭搶信道而產(chǎn)生沖突碰撞影響了系統(tǒng)的實時性和不確定性，采用交換機以太網(wǎng)技術(shù)可使其得到改善。交換型的以太網(wǎng)中采用以太網(wǎng)交換機，交換機各端口之間同時可以形成多個數(shù)據(jù)通道，每個端口可連一個網(wǎng)段，端口之間幀的輸入和輸出不再受CSMA/CD介質(zhì)訪問控制協(xié)議的約束。當(dāng)系統(tǒng)包括多個工作群組，一般讓每個組群單獨組成一個網(wǎng)段，每個網(wǎng)段占用交換器（機）一個端口（如圖4所示交換機有A、B、C、D四個網(wǎng)段），各網(wǎng)段的工作大部分時間是獨立的，當(dāng)任意兩個網(wǎng)段需要信息交換時，交換機能在2個獨立網(wǎng)段之間建立信息通道（例如圖4的A、B），一旦信息交換結(jié)束，通道即斷開。
圖4 交換機隔離的網(wǎng)段
由此看出，交換式以太網(wǎng)可以克服共享式以太網(wǎng)存在的問題：
• 交換機每個端口上，可連接一個網(wǎng)段，每個網(wǎng)段可獨享帶寬；
• 交換機每個端口上，所接網(wǎng)段之間是獨立的、被隔離的，如需要網(wǎng)段間進行信息通信的話，可以暫建立信息信道，經(jīng)過交換機的隔離，可大大減小沖突發(fā)生的概率，改善實時性和不確定性；
• 交換機VLAN技術(shù)的普遍采用，使交換系統(tǒng)能夠分配給控制信息點專有的通道和帶寬，從而保證在網(wǎng)絡(luò)繁忙的時候，控制系統(tǒng)仍有足夠?qū)捲５膸挘挂蕴W(wǎng)信息傳輸?shù)膶崟r性和不確定性基本上保持在理論的水平上。
(3) 在某些應(yīng)用場合允許的情況下，盡量將控制網(wǎng)與信息網(wǎng)分割開來使用，以避免實時數(shù)據(jù)與非實時數(shù)據(jù)的碰撞，使工業(yè)控制站點之間的以太網(wǎng)為獨立網(wǎng)段，從而改善實時性和不確定性。除此之外，還可以采用全雙工技術(shù)降低網(wǎng)絡(luò)負載，以及在Ethernet+TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂統(tǒng)一并適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范等措施。采取以上措施可以使工業(yè)以太網(wǎng)在某些軍事、工業(yè)、民用的領(lǐng)域的現(xiàn)場測控中得到初步應(yīng)用。例如，國外不少國家核加速器最新測控方案選擇了以太網(wǎng)，除此之外汽車裝配線、薄鋼生產(chǎn)線等均采用工業(yè)以太網(wǎng)的方案，從測控領(lǐng)域的發(fā)展方向上看，工業(yè)以太網(wǎng)將是未來測控領(lǐng)域中的一個重要發(fā)展方向，也是企業(yè)管控一體化和智能建筑系統(tǒng)集成的一種最佳方案。
(4) 以太網(wǎng)的供電問題，多年來一直是一個缺陷，特別是隨著IP電話、IP攝像機、無線AP、ENC（Ethernet Control System）等系統(tǒng)的應(yīng)用，人們更提出以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)的同時，傳送部分能量，以滿足小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用電的需求，解決小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電的無序狀態(tài)和居高不下的電源布線成本。因此IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)呼之即出，已形成一個以太網(wǎng)供電的國際標(biāo)準(zhǔn)，目前3COM、華為、DLINK等公司都有符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)的交換機產(chǎn)品。IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的核心是在滿足802.3 標(biāo)準(zhǔn)的同時，由交換機向網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備提供48V或24V電源，至此工業(yè)以太網(wǎng)的供電問題得到很好的解決，其原理如圖5所示。
圖5 以太網(wǎng)自供電原理圖
(5) 以太網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò)形式，TCP/IP協(xié)議是一種開放通信協(xié)議。安全問題不屬于網(wǎng)絡(luò)形式和TCP/IP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)的安全性最終關(guān)心的是在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膽?yīng)用層信息的安全，使它不被非法的修改、使用。保障信息及傳輸?shù)陌踩煌夂鮾煞N方式：專有獨立通道和信息加密。前一種方式目的是讓不該得到的得不到，后一種方式讓不該得到的得到了也不知道。以太網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)交換技術(shù)現(xiàn)已成為一種最基本的網(wǎng)絡(luò)專用通道技術(shù)，已經(jīng)非常成熟并廣泛使用。以太網(wǎng)可以很方便的將需要的通道隔離出來。Internet的信息加密是TCP/IP之上的基本與之無關(guān)的應(yīng)用信息處理方法。信息在發(fā)出之前要進行加密處理，信息在使用之后要進行解密處理。現(xiàn)在基本上都采用公開的加密算法，秘密不靠加密方法保證，而是靠密碼（key）。信息安全的最后和最關(guān)鍵的因素是持有重要密碼的人，他保管使用密碼的過程、方式是通信系統(tǒng)的安全的核心。
6 工業(yè)以太網(wǎng)在智能建筑中的應(yīng)用實例
(1) ENC-2001IP工業(yè)以太網(wǎng)測控系統(tǒng)簡介
北京樓宇自動化工程中心（簡稱為北京樓宇自控中心）采用ENC-2001IP工業(yè)以太網(wǎng)測控系統(tǒng)對某小區(qū)15棟高層住宅的充配電、換熱、采暖、通風(fēng)、供水、消防、三表查收及樓宇對講六個子系統(tǒng)遠程監(jiān)控，取得較好效果。
ENC工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖6所示。
這些ENC參量控制模塊可以把智能建筑各子系統(tǒng)集成到以太網(wǎng)、電梯系統(tǒng)、火災(zāi)報警等傳統(tǒng)設(shè)備上，帶有RS232或RS485接口，分別可接到ENCTRS200及ENCTRS400網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換模塊集成到以太網(wǎng)上，而IP電話及IP攝像機可以直接集成到以太網(wǎng)上。除此之外還提供CDMA/GRPS無線網(wǎng)關(guān)接口，例如系統(tǒng)報警信息即可通過該網(wǎng)關(guān)接口直接發(fā)送到手機上，并可通過手機對系統(tǒng)進行控制。
圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
AI：模擬量輸入模塊（ENC AI） DI：數(shù)字量輸入模塊（ENC DI）
AO：模擬量輸出模塊（ENC AO） DO：數(shù)字量輸出模塊（ENC DO）
FI： 脈沖輸入模塊（ENC FI） FO：脈沖輸出模塊（ENC FO）
網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：對底層設(shè)備的實時數(shù)據(jù)進行管理。
WEB服務(wù)：完成對整個系統(tǒng)的操作控制。
本地監(jiān)控管理站：實際上是本地監(jiān)控瀏覽器（Broswer）通過瀏覽器，可對系統(tǒng)監(jiān)視。
遠程工作站：實際上是遠程監(jiān)控瀏覽器（Broswer）在網(wǎng)上通過瀏覽器對系統(tǒng)進行監(jiān)視
(2) ENC參量集成模塊
ENC參量集成模塊由北京樓宇自控中心開發(fā)。
① 功能
• 內(nèi)嵌WEB SEVER，可以通過瀏覽器直接對其進行監(jiān)控，配置校準(zhǔn)；
• 客戶認證功能；
• 內(nèi)嵌防火墻功能；
• 支持SOCKET的通信規(guī)程；
• 完善的TCP/IP協(xié)議；
• 10/100baset符合IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口。
② 硬件結(jié)構(gòu)：由中央處理器MCU、以太網(wǎng)網(wǎng)卡、傳感器、執(zhí)行器、I/O接口以及存儲器（電子硬盤），電源組成，如圖7所示。
圖7 ENC網(wǎng)絡(luò)參量集成設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖 、
圖8 系統(tǒng)圖
③ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：內(nèi)嵌WEB SEVER，可與客戶端（Broswer）進行通信，如圖8所示。
(3) ENC系統(tǒng)特點
① 實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一
取消控制網(wǎng)與信息網(wǎng)的界限，控制信息化。所有設(shè)備通過ENC參量集成模塊或接口直接集成到以太網(wǎng)上，ENC參量控制模塊都是一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，內(nèi)嵌WEB服務(wù)器。
② 采用網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)管理方式
中央控制中心是一套主服務(wù)器，控制各參量集成模塊，可集中或分布處理各種數(shù)據(jù)，通過參量集成模塊完成各種類型控制要求。
③ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)方便靈活，擴展維護方便
該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進行集成，智能建筑中局域網(wǎng)是不可缺少的，利用局域網(wǎng)這些模塊可以就近插接，不用重新布線，所需器件均為標(biāo)準(zhǔn)化的，組網(wǎng)方便靈活，擴展維護方便。
④ 將控制系統(tǒng)升級為服務(wù)系統(tǒng)
該系統(tǒng)始終貫穿一種服務(wù)的理念，將設(shè)備的控制升級為設(shè)備對外提供的信息服務(wù)。這種服務(wù)的對象可以為人，也可以為機器。建筑中有了眾多設(shè)備提供的優(yōu)秀服務(wù)，智能建筑就成了一套智能服務(wù)系統(tǒng)集合，這正是人們所期待的。
7 結(jié)語
20世紀(jì)90年代以來，工業(yè)以太網(wǎng)取代控制網(wǎng)絡(luò)進行了嘗試，有不少成功的案例。以工業(yè)以太網(wǎng)為核心的測控技術(shù)是測控領(lǐng)域中的一個重要發(fā)展方向，但其實時性、可靠性、安全性、互操作性等尚需進一步研究完善。
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